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嵌入式WiFi技术研究与通信设计

作者:时间:2006-05-22来源:网络收藏
是当前无线网络应用的一个热点。本文介绍IEEE802.11b的基本,给出一种在 环境中的方案;通过一个移动监护系统的具体实现,说明方案的有效性。

关键词 IEEE802.11b TCP/IP 移动监护


目前,IEEE802.11无线局域网标准在语音、无线办公等领域广泛应用,但主要还是局限在PC机、笔记本电脑等通用平台的无线。无线局域网在信息家电、工业控制、移动手持设备等嵌入式环境中的应用需求日益增多。如何在嵌入式系统中整合WLAN宽带通信,成为嵌入式系统应用中的一个热点。


1 IEEE802.11b无线局域网
IEEE802.11系列包括IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.1lb、IEEE802.1lg四个标准。现阶段IEEE802.11b的产品比较多。本文主要针对IEEE802.1lb标准,介绍嵌入式WiFi的实现。
IEEE802.11b标准是在IEEE802.11的基础上发展起来的,工作在2.4 GHz频段,采用CCK调制,最高传输率能够达到11 Mbps,具有部署方便、通信可靠、抗干扰能力强、成本低、灵活性好、移动性强、高吞吐量等特点。它使得无线用户可以得到以太网级的网络性能、速率和可用性,并且可以无缝地将多种LAN技术集成起来,形成一种能够最大限度地满足用户需求的网络。WiFi是Wireless Fidelity的缩写,专指IEEE802.11b无线标准。在介绍IEEE802.11b的工作模式之前,首先介绍几个基本的概念。
1.1 IEEE802.11b基本概念
STA是指接入无线媒介的部分,常被称为网络适配器或者网络接口卡。STA可以是移动的,也可以是固定的。每个STA都支持鉴权(authentication),取消鉴权(deauthentication),加密和数据传输等。
基本服务集BSS(Basic Service Set)是IEEES02.11b
局域网的基本构成单元,基本服务集中可以包含多个STA。BSS基本服务集都有一个覆盖范围。在该覆盖范围内基本服务集的成员STA可以保持相互通信,每个BSS有一个基本服务集识别码BSSID。
独立的基本服务集IBSS(Independent BSS)是最基本的IEEE802.11b局域网类型,一个最小的IEEE802.11b局域网可以仅仅包含两个STA。在这种模式下,STA能够直接通信。因为这种类型的IEEES02.11b局域网通常在需要的时候才安排,所以这种网络工作模式通常被称为ad hoc(拉丁语,可译为“自组网”)模式。站点(STA)与基本服务集(BSS)之间的相互关系是动态的,STA可以自由地开机、关机、进入或离开BSS覆盖范围。
DSS(Distribution System Service),用于连接多个BSS。由于物理层覆盖范围的限制决定了所能支持的STA与STA之间的直接通信距离。为了解决这个问题,引入DS(Distribution System),它可以把多个BSS构成一个扩展的网络。
AP是Access Point简称,一般翻译为“无线访问节点”或“桥接器”。主要在媒介访问控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。
ESS(Extended Service Set),DS和多个BSS允许IEEE802.11构成一个任意大小和复杂的无线网络。IEEE802.11b把这种网络称为扩展服务集网络。同样,ESS也有一个标识的名称,即ESSID。
1.2 IEEE802.11b的工作模式
IEEE 802.1lb有两种工作模式:Ad-hoe和Infra―structure模式。IEEE标准以独立的基本服务集(IBSS)来定义Ad-hoc模式工作的客户端集合,以基本服务集(BSS)定义以Infrastructure模式工作的客户端集合。
在Ad-hoc模式中,客户端不能直接和网络外其他的客户端通信。Ad-hoc模式的目的是使在同一个频谱覆盖范围内的客户间能够互相通信。如果一个Ad―hoc网络模式中的客户想要和该网络外的客户通信,则该网络中必须有一个客户做网关并执行路由功能。

而在Infrastructure模式中,每一个客户将其通信报文发向AP.AP转发所有的通信报文。这些报文可以是发往以太网的,也可以是发往无线网络的。这是一种整合以太网和无线网络架构的应用模式。无线访问节点负责频段管理及漫游等指挥工作。一个AP最多可连接1024个站点。


2 嵌入式WiFi的
嵌入式WiFi的结构与标准PC/OS平台上的实现有所不同。要在普通的微处理器/微控制器上实现WiFi通信,其硬件结构、软件层次都必须进行裁减。下面以Prism MAC为例说明嵌入式WiFi的软、硬件设计。
2.1 嵌入式WiFi的硬件设计
嵌入式环境中WiFi的硬件接口如图1所示。与标准平台相比,中间没有PCMCIA桥。图1是嵌入式环境中的PC2MCIA接口的网卡与总线开放MCU的连接。

由于Prism MAC包括Memory space和I/O memory两个空间,所以需要两个片选通过或门控制读写空间的选择。PCMCIA封装的Prism MAC有26根地址线,驱动Prism MAC仅仅需要地址线A0~A9,其他地址线全部接地。对于总线不开放的处理器,可以使用I/O口线模拟的方式进行读写。
2.2嵌入式WiFi的软件设计
在WinCE、Linux等操作系统环境下,可以使用厂家提供的设备驱动来使用WiFi网卡。这种系统一般对硬件资源(如CPU性能、存储器容量等)有较高的要求。对于许多嵌入式应用,由于硬件资源的限制,很多系统都在简单OS(如uC/0S等)或无0S的环境下运行,这时就需要对整个软件协议作适当的裁减。图2是嵌入式WiFi的软件结构。
图2中,TCP/IP协议的实现在许多文章中已经有较多的讲述。这里主要以Prism MAC为例,介绍无限网络驱动,即嵌入式WiFi的驱动。
Prism MAC提供给用户一组接口寄存器,通过这些寄存器和Prism MAC进行通信。这些寄存器位于Attribute Memory[2]空间中,可以使用AttribLlte Memory地址直接访问。表1列出了PRISM MAC的常用寄存器及其定义。


为了读写这些寄存器,定义了两个函数:unsigned int getReg(unsigned int reg)和void selReg(unsigned int reg,
usnigned int val)。Prism MAC驱动就是向命令寄存器发命令来操作MAC。常用的命令有分配buffer、查询网卡状态、初始化网卡、读数据、写数据等。


Prism MAC驱动程序需要为上层提供MAC的读写函数和一些控制函数,实现的函数原型如下:
void init_mac(void)
void reset_mac(void)
WORD wc_write(WORD*buff,WORD len)
WORDwc_read(WORD*buff,WORDmaxlen)
B00L get_wlan(void)
reset_mac(void)用于在系统启动或者系统需要复位时,复位Prism MAC,同时对驱动使用的变量进行初始化。inh_mac(void)函数完成初始化网络控制器和固件,同时向网卡控制器申请使用的buffer,保存需要用到的RID。wc_write(W0RD*burf,W0RD len)函数把buff中的len个字节写入到MAC的发送缓冲区,然后写发送命令到网卡的命令寄存器发送数据,函数返回实际发送的数据长度。wc_read(WORD*buff,WoRD maxlen)函数接收输入数据。返回实际收到的数据长度,对上层协议来讲,调用wc_read以后,可以对buff中的数据做协议分析。对于TCP/IP来讲,实际上取出的可能是IP、ARP等类型的报文。get_wlan(void)通过访问EvStat寄存器判断是否有数据被接收,返回判断结果。若有,则把PrismMAC数据帧收入到共享数据区中。本函数只是把PrismMAC的数据帧首部读出,相当于是以太网帧的首部。读出的数据格式为


上层协议调用get_wlan以后,如果返回值是TRUE,就可以访问目的地址、源地址、帧类型等变量,以判断是否处理收到的数据。如果是需要接收的数据,可以调用wc―read读取数据。


3 嵌入式WiFi在医疗监护中的应用
嵌入式WiFi在许多领域有着广泛的应用。这里介绍一个嵌入式WiFi的具体实现――移动监护系统。该监护系统用于医院病人监护,采用嵌入式WiFi技术,可在移动环境下,对被测对象进行数字分组、实时监测。
3.1 硬件结构
移动监护系统由服务器和多个移动监护器组成。服务器端包括1台PC或者笔记本电脑、1个无线AP和1个报警器,硬件结构和连接方式都比较简单,在此不再说明。

移动监护器的硬件结构框图如图3所示。


图3中,移动监护器的硬件结构包括电源模块、压力传感器模块、加速度传感器模块和无线网卡模块。
移动监护器使用Ti的超低功耗微控制器MSP430F148作为CPU。加速度传感器模块使用AD公司的加速度传感器ADXL202,用于运动加速度测试,或重力加速度的测量,分析倾斜度,即用于病人跌倒测试。压力传感器使用Motorola医疗专用的MPX2300DT,具有良好的低电压工作特性和线性输出,用于脉搏测量。

电源使用3.6 V电池供电,经过简单电压变换即可满足移动监护器电源要求。无线网卡采用基于IntersilPrism2芯片集的PCMCIA网卡。它是一款IEEE802.11b兼容网络适配器。
3.2 软件结构
ad-hoc模式下,移动监护器和服务器间的距离很短。为了增大监护范围,移动监护系统工作在Infrastructure模式,服务器端的AP和移动监护器都相当于一个STA,移动监护器与服务器可以在不同的BSS中。移动监护器、AP所在的BSS共同构成一个ESS,使用DSS通信。
服务器端软件模块主要用于从网络接收到的数据中分离出斜度、移动监护器配置信息、脉搏信息,并根据信息报警,对移动监护器进行控制。
移动监护器的软件模块如图4所示。移动监护器主要完成加速度(斜度)数据的采集、脉搏信号的采集、数据的收发、传感器的启停控制。其软件可划分为两个层次:应用层和驱动层。阴影部分为硬件驱动层,驱动层以上为应用层。

移动监护系统由于采用嵌入式WiFi技术,支持数字分组,可以根据需要对被测对象分组检测,同时进行实时数据传输;保证了监护的可靠性与准确性,在实际使用中有很好的效果。

linux操作系统文章专题:linux操作系统详解(linux不再难懂)


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